[發(fā)明專利]一種自驗(yàn)證的扭矩智能測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710629902.5
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107389243B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任宗金;張軍;劉帥;賈振元;孫聰;化梅;任明帥
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

1.一種自驗(yàn)證的扭矩智能測量方法，其特征在于，步驟如下：

選取Y0°切型圓形石英晶片的下端面圓心為原點(diǎn)O，x、y軸在Y0°切型圓形石英晶片內(nèi)，Y0°切型圓形石英晶片的軸線方向?yàn)閦軸，建立計(jì)算坐標(biāo)系Oxyz；Y0°切型圓形石英晶片的晶體坐標(biāo)系為Ox’y’z’，Y0°切型圓形石英晶片的下端面被固定，上端面承受六維力；將Y0°切型圓形石英晶片上表面沿著y軸和x軸進(jìn)行分割，分為S₁、S₂、S₃和S₄四個面積相等的區(qū)域；其測量方法如下：

對于Y0°切型圓形石英晶片，當(dāng)其受到空間三個方向力分量F_x、F_y、F_z和三個力矩分量M_x、M_y、M_z的復(fù)合作用時，在Y0°切型圓形石英晶片表面所產(chǎn)生的應(yīng)力場如式(1)所示：

式中，r為Y0°切型圓形石英晶片的半徑，I₁、I₂分別為Y0°切型圓形石英晶片截面對x軸和y軸的主慣性矩，對于Y0°切型圓形石英晶片有A為端面面積，且A＝πr²；

根據(jù)張量坐標(biāo)變換法則，由晶體坐標(biāo)系Ox’y’z’中的壓電系數(shù)矩陣d，計(jì)算出在計(jì)算坐標(biāo)系Oxyz中新的壓電系數(shù)矩陣

其中d₁₁＝2.31×10^-12,d₁₄＝-0.727×10^-12,d₃₅＝4.62×10^-12；

Y0°切型圓形石英晶片內(nèi)部產(chǎn)生的電極化強(qiáng)度為：

晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電極化強(qiáng)度在x，y，z方向上的分量分別為：

在垂直于z軸的晶面上，由彎曲、扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的等效面束縛電荷密度為：

式中，η_z+、η_z-分別表示Y0°切型圓形石英晶片上、下表面的電荷密度；分別為計(jì)算坐標(biāo)系Oxyz中上下兩端面單位法向量；d₃₄為壓電系數(shù)，且有d₃₄＝4.62×10^-12C/N；

由式(5)看出，對于提取電荷的上截面來說，Y0°切型圓形晶片表面電荷密度以y軸為對稱軸對稱分布，y軸左、右兩側(cè)的電荷密度大小相等，符號相反；采用均勻分布四片電極輸出電荷的方法，實(shí)現(xiàn)扭矩M_z的測量；即以y軸和x軸為分界線將Y0°切型圓形石英晶片面域劃分為4個相等的面域，分別記為S₁、S₂、S₃、S₄，在4個面域各布置一片電極用以提取每個面域內(nèi)產(chǎn)生的束縛電荷量，分別記為Q₁、Q₂、Q₃和Q₄；

取上表面電荷密度η_z+，分別在4個面域內(nèi)對其進(jìn)行面積分，整體面域方程：x²+y²≤r²，求得每個面域內(nèi)的感生電荷量大小，如式(6)所示：

由上述計(jì)算知，該Y0°切型圓形石英晶片測得的四個電極的電荷量Q₁、Q₂、Q₃和Q₄為單獨(dú)施加的切向力F_y和扭矩M_z所產(chǎn)生電荷的線性疊加，并通過解耦求得扭矩M_z的大小，即通過Q₁和Q₂解耦求得M_z1，通過Q₃和Q₄解耦求得M_z2，計(jì)算結(jié)果如式(7)所示：

理論上S₁和S₃、S₂和S₄兩個區(qū)域的電荷分布情況是相同的，分別計(jì)算出的兩個扭矩值M_z1和M_z2也是相等的，均為實(shí)際扭矩M_z的一半，即

在實(shí)際測試過程中，針對隨機(jī)、偶發(fā)的干擾信號，進(jìn)行自驗(yàn)證的干擾誤差判斷，得到相對準(zhǔn)確的扭矩測量數(shù)值；

對同一時刻測得的扭矩載荷信號M_z1和M_z2進(jìn)行做差比較，差值的絕對值M’即為外界干擾引起的誤差值，即

M'＝|M_z1-M_z2| (9)

給定扭矩值的臨界誤差ε，將誤差值與臨界誤差進(jìn)行比較，如果外界干擾引起的誤差值大于臨界誤差范圍，即

M'＞ε (10)

則此次測試結(jié)果干擾過大，測量結(jié)果不可靠，舍棄此次測量結(jié)果；反之，如果

M'≤ε (11)

外部干擾的作用很小，忽略，測量結(jié)果滿足測量精度要求，最終輸出的扭矩值為兩個采樣值之和，即

M_z＝M_z1+M_z2 (12)。